(57)【要約】      （修正有）【課題】互いに係合する第１及び第２部材の少なくとも一方に形成された冷却路を循環させる冷却液の流量を制御することにより、第２部材の熱変位を省エネルギで効率的、効果的に防止する熱変位防止装置を提供する。【解決手段】互いに相対移動可能に係合する第１及び第２部材の少なくとも一方に形成された冷却路に流入される冷却液の温度が設定温度に制御され、第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量に応じて冷却路を循環する冷却液の流量を制御する。これにより、第２部材に伝達される熱量が冷却路を循環する冷却液により発熱起因量に応じて応答性よく取り去られ、第２部材の熱変位を効率的に確実に防止することができる。【選択図】図１
2005230955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と第２部材とが相対移動可能に係合し、第１及び第２部材の少なくとも一方に冷却路を形成し、該冷却路と冷却装置との間に冷却液を循環させて第２部材の熱変位を防止する生産機械における熱変位防止装置において、前記冷却路に流入する冷却液の温度を設定温度に制御する温度制御手段と、第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量を求める発熱起因量検出手段と、前記冷却路を循環する冷却液の流量を前記発熱起因量に応じて制御する流量制御手段とを備えたことを特徴とする熱変位防止装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１部材に一体的に固定された回転軸軸承部材に回転駆動される回転軸が軸承され、前記発熱起因量検出手段は前記回転軸の回転数を前記発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記回転軸の回転数に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することを特徴とする熱変位防止装置。
【請求項３】
請求項１において、前記発熱起因量検出手段は、前記第１部材と第２部材との間の相対速度を発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記相対速度に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することを特徴とする熱変位防止装置。
【請求項４】
請求項１において、ベッドに立設されたコラムの前面に上下方向に一体的に固定されたガイドレールを前記第２部材とし、前記回転駆動される主軸を回転可能に軸承した主軸頭に一体的に固定され前記ガイドレールに摺動可能に係合する摺動係合部材を前記第１部材とし、前記ガイドレール及び摺動係合部材の少なくとも一方に冷却路が形成され、前記コラムの温度を測定する温度測定手段が設けられ、前記温度制御手段は前記冷却路に流入する冷却液の温度を、前記温度測定手段により測定されたコラムの温度に基づいて設定した設定温度に制御し、前記発熱起因量検出手段は前記主軸の回転数を前記発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記主軸の回転数に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することを特徴とする熱変位防止装置。
【請求項５】
請求項１において、ベッドに立設されたコラムの前面に上下方向に一体的に固定されたガイドレールを前記第２部材とし、モータにより回転駆動される主軸を回転可能に軸承した主軸頭に一体的に固定され前記ガイドレールに摺動可能に係合する摺動係合部材を前記第１部材とし、前記ガイドレール及び摺動係合部材の少なくとも一方に冷却路が形成され、前記コラムの温度を測定する温度測定手段が設けられ、前記温度制御手段は前記冷却路に流入する冷却液の温度を、前記温度測定手段により測定されたコラムの温度に基づいて設定した設定温度に制御し、前記主軸頭に形成された冷却路に冷却液を循環させて主軸頭を冷却する主軸冷却装置と、該主軸冷却装置の冷却負荷を検出する冷却負荷検出手段と、前記モータによる発熱量を検出するモータ発熱量検出手段とが設けられ、前記発熱起因量検出手段は前記モータ発熱量と冷却負荷との差を前記発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記モータ発熱量と冷却負荷との差に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することを特徴とする熱変位防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等の生産機械において、相対移動可能に係合する第１及び第２部材の少なくとも一方に形成された冷却路に冷却液を循環させて第２部材の熱変位を防止する熱変位防止装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工作機械の主軸等の構成要素の熱変位を防止するために、構成要素の温度を測定し、温度上昇に応じて構成要素を冷却している。例えば、特許文献１に記載された工作機械の熱変位防止装置では、主軸４が両端部を主軸頭本体２に転がり軸受３，３により軸承され、軸受３，３の温度を検出する温度センサ６ａ，６ｂが主軸頭本体２に装着され、主軸頭本体２の主軸４の中間部に対応する位置に冷却ジャケット８が設けられている。冷却ジャケット８の上部にはノズル１１が設けられ、ノズル１１は冷却油供給装置１２から供給される、軸受温度に応じて冷却された一定流量の冷却油を主軸４に注ぐようになっている。制御器７は、温度センサ６ａ，６ｂからの信号に基づいて、冷却油供給装置１２から吐出すべき冷却油の温度を計算し、冷却油供給装置１２の冷凍機を制御して冷却油の温度を制御するとともに、温度変化に伴う工作機械各部の熱変形量を計算して、ＮＣ装置１８に主軸４先端の位置補正を行わせている。
【特許文献１】特開平１１−９９４４２号公報（〔００１２〕〜〔００１５〕項、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された熱変位補正装置では、温度センサ６ａ，６ｂにより検出された転がり軸受３，３の温度が高くなるほど、冷却油の温度を下げるように冷凍機を作動させているが、冷却油の温度変化にタイムラグがあり、また軸受３，３の温度に応じて主軸４を冷却しても軸受３，３の温度が低下するまでに応答遅れが生じ、主軸４の温度を設定温度に応答性よく維持することは困難であった。
【０００４】
特に、最近の主軸頭のように、主軸を高速回転させるために主軸頭にモータをビルトインしている場合、主軸頭のモータの回りに冷却路を形成し、該冷却路に軸受温度に応じて冷却した冷却油を一定量循環させるようにしても、モータの発熱量に見合う表面積が得られないために必要な熱伝達率を確保できず、冷却油が十分な冷却をできないまま冷却油供給装置に戻り主軸頭に熱量が残留する。係る熱量が主軸頭を摺動可能に支承するコラムに摺動面を通って伝達し、コラムの主軸頭を支承する前側が後側に反る問題があった。
【０００５】
本発明はかかる従来の不具合を解消するためになされたもので、互いに係合する第１及び第２部材の少なくとも一方に形成された冷却路を循環させる冷却液の流量を制御することにより、第２部材の熱変位を省エネルギで効率的、効果的に防止することができる熱変位防止装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、第１部材と第２部材とが相対移動可能に係合し、第１及び第２部材の少なくとも一方に冷却路を形成し、該冷却路と冷却装置との間に冷却液を循環させて第２部材の熱変位を防止する生産機械における熱変位防止装置において、前記冷却路に流入する冷却液の温度を設定温度に制御する温度制御手段と、第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量を求める発熱起因量検出手段と、前記冷却路を循環する冷却液の流量を前記発熱起因量に応じて制御する流量制御手段とを備えたことである。
【０００７】
請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記第１部材に一体的に固定された回転軸軸承部材に回転駆動される回転軸が軸承され、前記発熱起因量検出手段は前記回転軸の回転数を前記発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記回転軸の回転数に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することである。
【０００８】
請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記発熱起因量検出手段は、前記第１部材と第２部材との間の相対速度を発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記相対速度に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することである。
【０００９】
請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、ベッドに立設されたコラムの前面に上下方向に一体的に固定されたガイドレールを前記第２部材とし、前記回転駆動される主軸を回転可能に軸承した主軸頭に一体的に固定され前記ガイドレールに摺動可能に係合する摺動係合部材を前記第１部材とし、前記ガイドレール及び摺動係合部材の少なくとも一方に冷却路が形成され、前記コラムの温度を測定する温度測定手段が設けられ、前記温度制御手段は前記冷却路に流入する冷却液の温度を、前記温度測定手段により測定されたコラムの温度に基づいて設定した設定温度に制御し、前記発熱起因量検出手段は前記主軸の回転数を前記発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記主軸の回転数に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することである。
【００１０】
請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、ベッドに立設されたコラムの前面に上下方向に一体的に固定されたガイドレールを前記第２部材とし、モータにより回転駆動される主軸を回転可能に軸承した主軸頭に一体的に固定され前記ガイドレールに摺動可能に係合する摺動係合部材を前記第１部材とし、前記ガイドレール及び摺動係合部材の少なくとも一方に冷却路が形成され、前記コラムの温度を測定する温度測定手段が設けられ、前記温度制御手段は前記冷却路に流入する冷却液の温度を、前記温度測定手段により測定されたコラムの温度に基づいて設定した設定温度に制御し、前記主軸頭に形成された冷却路に冷却液を循環させて主軸頭を冷却する主軸冷却装置と、該主軸冷却装置の冷却負荷を検出する冷却負荷検出手段と、前記モータによる発熱量を検出するモータ発熱量検出手段とが設けられ、前記発熱起因量検出手段は前記モータ発熱量と冷却負荷との差を前記発熱起因量とし、前記流量制御手段は前記モータ発熱量と冷却負荷との差に応じて前記冷却路を循環する冷却液の流量を制御することである。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成した請求項１係る発明においては、互いに相対移動可能に係合する第１及び第２部材の少なくとも一方に形成された冷却路に流入される冷却液の温度が設定温度に制御され、第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量に応じて冷却路を循環する冷却液の流量を制御するので、第２部材に伝達される熱量が冷却路を循環する冷却液により発熱起因量に応じて応答性よく取り去られ、第２部材の熱変位を確実に防止することができる。さらに、冷却路を循環する冷却液の流量を発熱起因量に応じて制御するので、省エネルギで効率的、効果的に第２部材の熱変位を防止することができる。
【００１２】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、第１部材に一体的に固定された回転軸軸承部材に回転駆動される回転軸を軸承し、該回転軸の回転数を第１部材から第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量とし、回転軸の回転数に応じて冷却路を循環する冷却液の流量を制御するので、第２部材に回転軸の回転数に応じて伝達された発熱量が、冷却路を循環する冷却液により応答性よく取り去られ、第２部材の熱変位を確実に防止することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、第１部材と第２部材との間の相対速度を第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量とし、第１部材と第２部材との間の相対速度に応じて第２部材に形成された冷却路を循環する冷却液の流量を制御するので、第２部材に伝達された第１部材と第２部材との間の相対速度に基づく摩擦による発熱量が、冷却路を循環する冷却液により相対速度に応じて応答性よく追従して取り去られ、第２部材の熱変位を確実に防止することができる。
【００１４】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、ベッドに立設されたコラムの前面に一体的に固定されたガイドレールに冷却路が形成され、冷却路に流入する冷却液の温度がコラムの温度に基づく設定温度に制御され、ガイドレールに摺動可能に係合する摺動係合部材が主軸頭に一体的に固定され、主軸頭に軸承され回転駆動される主軸の回転数をガイドレールに伝達される熱量に対応する発熱起因量とし、主軸の回転数に応じて冷却路を循環する冷却液の流量を制御するので、ガイドレールに主軸の回転数に応じて伝達された発熱が、冷却路を循環する冷却液により応答性よく取り去られ、ガイドレールが一体的に固定されたコラムの熱変位による反りを確実に防止することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項５に係る発明においては、主軸頭を冷却する主軸冷却装置の冷却負荷を検出し、主軸を回転駆動するモータからのモータ発熱量を検出し、モータ発熱量と冷却負荷との差を発熱起因量とし、この差に応じてリニアガイドに形成された冷却路を循環する冷却液の流量を制御するので、モータ発熱量の一部で主軸冷却装置により除去されなかった熱量が、冷却路を循環する冷却液によりモータ発熱量と冷却負荷との差に応じて応答性よく追従して持ち去られ、コラムの熱変位による反りを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る熱変位防止装置をマシニングセンタに適用した実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、マシニングセンタ１は、ベッド２上にコラム３が摺動可能に装架され、駆動装置によりＺ方向に進退移動される。コラム３にはガイドレール４（第２部材）が一体的に固定され、ガイドレール４にスライダ５（第１部材）が摺動係合部材として摺動可能に係合され、スライダ５に主軸頭６（回転軸軸承部材）が一体的に固定されている。これにより、主軸頭６はコラム３に摺動可能に装架され、駆動装置によりＹ方向に上下移動される。さらに、ベッド２上面にテーブル７が摺動可能に装架され、駆動装置によりＸ方向に進退移動される。
【００１７】
図１，２に示すように、ガイドレール４に冷却路８が形成され、冷却路８の入口が冷却装置９の定吐出ポンプ１０（流量制御手段）の吐出ポートに接続され、出口が冷却装置９のタンク１１に接続されている。ガイドレール４はコラム３の略全長に渡って固定されているので、必要長さの冷却路８を容易に確保することができる。定吐出ポンプ１０はポンプ駆動モータ１２により回転駆動され、モータ１２の回転数を制御することにより冷却路８を循環する冷却液の流量を制御する。冷却装置９はモータにより駆動される冷凍機を内蔵し、タンク１１内に貯溜された冷却液を設定温度に維持して冷却路８に流入する冷却液の温度を設定温度に制御する温度制御手段３０として機能する。コラム３にはガイドレール４が固定された前部と反対側の後部の温度Ｔｃを測定する温度センサ１３の感温部が埋め込まれ、冷却装置９はタンク１１内に貯溜された冷却液を冷凍機で冷却してコラム後部の温度Ｔｃに維持している。
【００１８】
主軸頭６にはビルトインモータ１４によって回転駆動される主軸１５が回転可能に軸承されている。主軸頭６はビルトインモータ１４の回りに冷却路が形成され、冷却路に主軸冷却装置１７から一定流量の潤滑液が循環されるようになっている。主軸頭６には主軸頭の温度を測定する温度センサ１８が設けられ、主軸冷却装置１７に内蔵された冷凍機は冷凍機モータ１９により駆動され、冷却液を主軸頭６の温度が高くなるほど低い温度に冷却している。
【００１９】
制御装置２０の入力回路には温度センサ１３，１８が接続され、出力回路には冷却装置９のポンプ駆動モータ１２の駆動回路、及び主軸冷却装置１７の冷凍機モータ１９の駆動回路が接続されている。さらに、ビルトインモータ１４に接続された電流計２１、及び主軸冷却装置１７の冷凍機モータ１９に接続された電流計２１，２２が制御装置２０の入力回路に接続されている。
【００２０】
制御装置２０は、コラム３に一体的に固定されたガイドレール４に主軸頭６からスライダ５を経由して流入する熱量に対応する発熱起因量を求める発熱起因量検出手段３１として一部機能する。主軸頭６からガイドレール４に流入する熱量は、主軸頭６に与えられるビルトインモータ１４のモータ負荷に起因するモータ発熱量と、主軸冷却装置１７との間で循環する冷却液により主軸頭６から取り去られる熱量との差である。モータ発熱量（ｋＪ／ｓ）は、式（１）に示すように、ビルトインモータ１４の定格値（ｋW）に主軸の回転中のモータ負荷率を掛けてモータ負荷を求め、１から機械効率を減算した値を発熱に費やされる割合としてモータ負荷に乗算し、１秒当たりのキロジュールに換算して求められる。
モータ発熱量（ｋＪ／ｓ）＝ビルトインモータの定格値（ｋＷ）×主軸回転  中のモータ負荷率×（１−機械効率）・・・（１）
【００２１】
主軸冷却装置１７との間で循環する冷却液により主軸頭６から取り去られる熱量は、主軸冷却装置１７の冷却負荷とする。冷却負荷は、冷凍機を駆動する冷凍機モータ１９の稼動中の負荷であり、冷凍機モータ１９の定格値（ｋW）に回転中のモータ負荷率を掛け、１秒当たりのキロジュールに換算して求められる。制御装置２０は、ビルトインモータ１４及び冷凍機モータ１９のモータ負荷率を各電流計２１，２２により検出された電流値から求め、ビルトインモータ１４及び冷凍機モータ１９の定格値に各モータ負荷率を乗算して算出したモータ負荷に基づいてビルトインモータ１４のモータ負荷に起因するモータ発熱量、及び主軸冷却装置１７の冷却負荷を検出するモータ発熱量検出手段３２、冷却負荷検出手段３３として一部機能する。そして、これらモータ発熱量と冷却負荷との差を、主軸頭６からガイドレール４に流入する熱量に対応する発熱起因量として求める。
【００２２】
コラム後部の温度Ｔｃと等しい設定温度に維持された冷却液が、ガイドレール４に形成された冷却路８を循環する間に許容温度上昇幅αだけ温度上昇して主軸頭６からガイドレール４に流入するモータ発熱量と冷却負荷との差の熱量を吸収するためには、式（２）に示す流量Ｖの冷却液を冷却装置９から冷却路８に供給しなければならない。
【００２３】
（モータ発熱量−冷却負荷）＝Ｖ×ｒ×Ｃｐ×α・・・（２）
ここにおいて、
Ｖ：冷却路を流れる冷却液の流量（冷却路断面積×流速）〔ｍ２*ｍ／sec〕
ｒ：冷却液の比重〔ｋｇ／ｍ３〕
Ｃｐ：冷却液の比熱〔Ｊ／ｋｇ℃〕
α：冷却液の冷却路入口から出口までの間の許容温度上昇幅〔℃〕
【００２４】
次に、本実施形態の作動を説明する。マシニングセンタ１はビルトインモータ１４により主軸１５が高速回転され、コラム３、主軸頭６及びテーブル７が移動されて主軸１５の先端に装着された工具とテーブル７上に取付けられたワークとが相対移動されてワークが工具により切削加工される。このとき、主軸冷却装置１７は温度センサ１８により測定された主軸頭６の温度が高いほど低温に冷却された冷却液を冷却路に循環させて主軸頭６を冷却する。
【００２５】
制御装置２０は、ビルトインモータ１４及び冷凍機モータ１９の定格値と電流計２１，２２により検出された電流値に基づいて、ビルトインモータ１４によるモータ発熱量及び主軸冷却装置１７の冷却負荷を演算し、モータ発熱量と冷却負荷との差を、主軸頭６からガイドレール４に流入する熱量に対応する発熱起因量とする。そして、制御装置９は、式（２）から求められる流量Ｖの冷却液を冷却装置９のポンプ１０が吐出するために必要な回転数でポンプ駆動モータ１２を回転駆動する。冷却装置９は、タンク１１内に貯溜された冷却液の温度を、温度センサ１３により測定されたコラム後部の温度Ｔｃと等しい設定温度に維持している。これにより、ビルトインモータ１４による発熱量の一部で主軸冷却装置１７により除去されなかった流量が、コラム３に一体的に固定されたガイドレール４に形成された冷却路８を循環される冷却液により取り去られる。このとき、冷却液の流量はモータ発熱量と冷却負荷との差に応じて十分多い流量に制御されるので、ガイドレール４に伝達された熱量は、高い熱伝達率で応答性よく取り去られてコラム３に伝達されない。これにより、コラム３の前側が主軸頭６から伝達された熱量により熱膨張して後側に反ることを確実に防止することができる。ビルトインモータ１４による発熱量が小さく、主軸頭６が主軸冷却装置１７により十分冷却されているときは、冷却路８を循環する冷却液の流量が減少されるので、コラム３の熱変位を省エネルギで効率的に防止することができる。
【００２６】
主軸頭６からスライダ５を経由してガイドレール４に伝達される熱量の元となる主軸頭６における発熱量は、主としてビルトインモータ１４による発熱量であり、このビルトインモータ１４による発熱量は主軸１５の回転数が高くなるほど増加し、主軸頭６からガイドレール４に伝達される熱量は主軸１５の回転数が高くなるほど多くなる。このため、主軸１５の回転数を主軸頭６からガイドレール４に伝達される熱量に対応する発熱起因量としてもよい。この場合、制御装置２０は、発熱起因量とした主軸１５の回転数の増加に応じて増大する回転数で冷却装置９のポンプ１０をポンプ駆動モータ１２により回転駆動し、冷却路８を循環する冷却液の流量を主軸１５の回転数の増加に応じて増大するように流量制御する。制御装置２０は、主軸１５に取付けられた回転検出装置から入力される主軸１５の回転数、或いは制御装置２０から主軸１５の駆動回路に出力される主軸回転数の指令値を発熱起因量としてもよい。
【００２７】
上記実施形態では、コラム３に一体的に固定されたガイドレール４に冷却路８を形成しているが、主軸頭６に一体的に固定されたスライダ５に冷却路を形成して、設定温度に制御された冷却液を発熱起因量に応じた流量だけ冷却路を循環させるようにしてもよい。
【００２８】
上記実施形態では、主軸頭６に固定されたスライダ５を介してコラム３に固定されたガイドレール４に伝達された主軸頭６での発熱量を、設定温度に制御された発熱起因量に応じた流量の冷却液をガイドレール４に形成された冷却路８を循環させることにより取り去ってガイドレール４延いてはコラム３の熱変位を防止しているが、モータにより回転駆動されるボールネジ軸とナットのように、相対移動可能に係合する第１部材と第２部材の少なくとも一方に冷却路を形成し、該冷却路と冷却装置９との間に冷却液を循環させて第２部材（ボールネジ軸又はナット）の熱変位を防止するようにしてもよい。この場合も、冷却路に流入する冷却液の温度は、冷却装置９により設定温度に制御される。第２部材に伝達される熱量は、第１及び第２部材の間の摩擦による発熱量であり、第２部材に伝達される熱量に対応する発熱起因量は第１、第２部材間の相対速度である。制御装置２０は、ボールネジ軸を回転駆動するモータの駆動回路に出力するモータ回転数の指令値、或いはボールネジにより移動される移動部材の送り指令値を発熱起因量とすることにより発熱起因量検出手段として機能する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る熱変位防止装置を示す図。
【図２】互いに摺動可能に係合するスライダ及びガイドレールの横断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１…マシニングセンタ 、２…ベッド、３…コラム、４…ガイドレール、５…スライダ、６…主軸頭、７…テーブル、８…冷却路、９…冷却装置（温度制御手段）、１０…ポンプ（流量制御手段）、１１…タンク、１２…ポンプ駆動モータ、１３…温度センサ（温度測定手段）、１４…ビルトインモータ、１５…主軸、１７…主軸冷却装置、１８…温度センサ、１９…冷凍機モータ、２０…制御装置、２１，２２…電流計、３１…発熱起因量検出手段、３２…モータ発熱量検出手段、３３…冷却負荷検出手段。
【図１】
2005230955.tif 000003
【図２】
2005230955.tif 000004